Таблица 1

Виды грузотранспортных связей рабочих горизонтов с поверхностью на добыче блочного камня открытым способом

Предельная глубина карьера определяется исходя из возможностей грузоподъемной машины, м: . (2)

Таблица 2

Значения коэффициента k_m в зависимости от вида транспортной связи

* Верхний предел для низкого уступа.

Исследование зависимости технических характеристик грузоподъемных кранов от параметров системы разработки

Длина стрелы деррик-крана определяется исходя из значения максимального радиуса зоны обслуживания, м:

, (5)

где _max - максимальный угол наклона стрелы к вертикали, град.

а) б)

Рис. 1 Расчет шага перестановки деррик-крана: а) поперек линии фронта работ с шагом ; б) вдоль линии фронта работ с шагом ; 1- деррик-кран; 2 - тяговые лебедки

Максимальный радиус зоны обслуживания, м: ; (6)

Минимальный радиус зоны обслуживания, м: , (7)

где L_с - длина стрелы крана, м; 15⁰ и 82⁰ - минимальный и максимальный углы наклона стрелы от вертикали, град.

Эффективная площадь зоны обслуживания деррик-краном, м²:

, (8)

где ^с.з. - угол зоны, не охватываемой обслуживанием крана, град.; R_max, R_min - максимальный и минимальный радиусы зоны обслуживания, м.

Оптимальный шаг перестановки деррик-крана в пространстве (рис. 1), м:

- при поперечной перестановке: ; (9)

- при продольной перестановке:. . (10)

Для всех типов кранов должно выполняться условие по минимальной высоте подъема крюка относительно транспортного горизонта, м:

, (11)

где H_Т - высота транспортного средства, м; H_Б - высота подъема груза над транспортным средством из условий техники безопасности, м; H_Г - максимальный габаритный размер по высоте транспортируемого груза; H_С - длина строп; H_Х.Т - высота, определяемая минимально допустимым запасом хода троса для подъема-опускания груза, м.

Полукозловые и козловые краны с разновысокими опорами за счет разности высоты установки опор можно применять при расконсервации борта карьера или при отработке месторождений, расположенных в горной местности (рис. 2, 3).

Рис. 2 Схема вскрытия месторождений природного камня с использованием для транспортной связи козлового крана. 1 - козловой кран; 2 - грузовой автомобиль; 3 - пассажирский лифт для спуска-подъема людей

Длина пролета крана, м:

, (12)

где , - безопасные расстояния от оси хода опор крана до верхних бровок соответственно на верхнем и нижнем горизонтах стояния крана, м; , - высота бортов карьера, м; , - устойчивые конструктивные углы погашения бортов карьера соответственно под верхней и нижней опорами крана, град; - ширина рабочей площадки на нижнем горизонте, м.

Рис. 3 Бестраншейное вскрытие месторождения природного камня небольшой мощности в горной местности с использованием полукозлового крана: 1 - козловой кран; 2 - грузовой автомобиль

Разность высоты установки опор козлового крана с разновысокими опорами определяется суммарной высотой уступов, находящихся между отметками рельсовых путей, м:

. (13)

Максимальная глубина карьера, м: . (14)

В работе рассмотрен вариант грузотранспортной связи с применением башенных кранов с длиной стрелы до 100 м, грузоподъемностью на конце стрелы до 50 тонн (рис. 4). Использование этих кранов возможно на карьерах с любой формой залежи и контура подсчета запасов в устойчивых породах с возможностью отработки месторождения глубиной до 100 м.

Рис. 4 Схема вскрытия месторождений природного камня с использованием башенного крана

Длина стрелы башенного крана определяется максимальным радиусом погрузки , м:

, (15)

где В_к - половина ширины тележки крана, м; Б_б - берма безопасности, м; n_у.н - количество рабочих добычных уступов, отрабатываемых ниже горизонта стояния крана; - ширина минимальной рабочей площадки на j-м рабочем горизонте; - ширина блока запасов готовых к выемке на j-м рабочем уступе.

Высота подъема крюка на уровне стояния крана, м:

, (16)

где - глубина стояния крана относительно транспортного горизонта, м.

Максимальная высота подъема крюка должна обеспечивать подъем груза с нижнего рабочего горизонта, м:

. (17)

Полная мощность отрабатываемого слоя, м:

, (18)

где , - количество рабочих добычных уступов соответственно выше и ниже горизонта стояния крана; , - суммарная высота уступов соответственно выше и ниже горизонта стояния крана, м.

При отработке месторождений природного камня большой мощности либо при относительно небольшой ширине месторождения, но значительной протяженности фронта работ целесообразно применение кабельных кранов (рис. 5).

Рис. 5 Расчетная схема вскрытия месторождения природного камня кабельным краном: 1 - кабельный кран; 2 - автомобиль

Ширина зоны обслуживания, м:

, (19)

где - ширина карьера по верху, м; - берма безопасности для автотранспорта, м; - ширина транспортной полосы, м.

Расстояние между опорами, м:

, (20)

где и - бермы безопасности установки опор крана относительно бортов карьера, м; , - ширина опор крана, м.

Ввиду конструктивных особенностей мостовые краны не имеют таких опор, как у козловых кранов, поэтому для погрузки блоков в автотранспорт необходимо пройти траншею по вскрышным породам на транспортном горизонте (рис. 6).

Рис. 6 Схема вскрытия месторождения природного камня с использованием мостового крана

Ширина бермы транспортного горизонта для мостового крана, м:

, (21)

Из выполненных исследований следует, что целесообразность применения бестраншейного вскрытия на месторождениях природного камня определяется горнотехническими условиями разработки и зависит от параметров системы разработки и устойчивости горных пород. В этом заключается сущность первого научного положения.

Таблица 3

Грузотранспортные схемы при бестраншейном вскрытии месторождений природного камня

Обобщенный анализ параметров грузоподъемного оборудования и системы разработки (табл. 3) показал, что вид грузотранспортной связи рабочих горизонтов с поверхностью при бестраншейном вскрытии месторождения природного камня определяется мощностью залежи и глубиной разработки. В этом состоит сущность второго научного положения.

Оценка эффективности бестраншейного вскрытия

Методика оценки эффективности бестраншейного вскрытия основана на экономическом сравнении капитальных и эксплуатационных затрат, связанных с типом грузотранспортной связи рабочих горизонтов с поверхностью.

В 4 главе диссертации приведен расчет объемов горных выработок при траншейном и бестраншейном вскрытии месторождения. Рассмотрены вопросы, связанные с развитием карьерного поля во времени с отчуждением земли под карьер и отвал. Произведена сравнительная оценка энергетической эффективности грузотранспортных связей рабочих горизонтов с поверхностью: траншейного вскрытия с применением автотранспорта и бестраншейного с применением грузоподъемных кранов. График зависимости энергоемкости от глубины карьера и производственной мощности приведен на (рис. 7).

Исследования других авторов показали, что КПД автомобильного транспорта при работе на подъем горной массы из карьера составляет 6,5 - 7,5 %, а в настоящей работе рассчитано, что КПД использования грузоподъемных кранов изменяется в пределах 28,5 - 51,5 %.

При расчете экономической эффективности учитываются только факторы, связанные с затратами на осуществление транспортной связи рабочих горизонтов с поверхностью.

Рис. 8 Зависимость капитальных затрат от производственной мощности карьера

Рис. 9 Зависимость срока строительства карьера от производственной мощности

При экономической оценке исследовалась зависимость капитальных и эксплуатационных затрат на строительство карьера от срока эксплуатации месторождения, глубины и производственной мощности карьера.

Исследования показали, что капитальные затраты в большей степени зависят от производственной мощности карьера по товарным блокам (рис. 8). При бестраншейном вскрытии объемы горно-капитальных работ ниже за счет того, что не требуется проходка съездов на рабочие горизонты, а рабочие площадки меньше, чем при траншейном вскрытии, поэтому в этом случае срок строительства карьера существенно меньше (рис. 9).

Рис. 10 Диаграммы для определения эффективности схем вскрытия месторождений природного камня

Условные обозначения:

1 2 3 4

1 - весьма эффективно траншейное вскрытие. Относительно низкие капитальные затраты и себестоимость; 2 - эффективно траншейное вскрытие. При высоких капитальных затратах, окупается более низкой себестоимостью; 3 - эффективно бестраншейное вскрытие. При высоких капитальных затратах, окупается более низкой себестоимостью; 4 - весьма эффективно бестраншейное вскрытие. Относительно низкие капитальные затраты и себестоимость.

По результатам расчетов капитальных и эксплуатационных затрат построены диаграммы для определения эффективности применения траншейной и бестраншейной схем вскрытия месторождений природного камня при различных производственных мощностях, сроках эксплуатации и глубинах отработки месторождения (рис. 10).

Исследования показали, что эффективность бестраншейного вскрытия месторождений природного камня возрастает с увеличением производственной мощности карьера по блокам и срока отработки месторождения. В этом заключается сущность третьего научного положения.

Из выполненных исследований следует, что тип грузотранспортной связи рабочих горизонтов с поверхностью на месторождениях природного камня зависит от производственной мощности карьера, срока эксплуатации месторождения, мощности полезной толщи и технических возможностей грузоподъемных машин.

Заключение

В результате выполненных исследований предложена технологическая разработка, заключающаяся в выборе и обосновании условий применения бестраншейного вскрытия месторождений природного камня, имеющая существенное значение для камнеобрабатывающей отрасли страны.

Основные научные и практические результаты настоящего исследования:

1. Исследованиями установлено, что существует определенная совокупность горнотехнических условий: мощности, протяженности, угла падения залежи и устойчивости горных пород - при которых на месторождениях природного камня вместо традиционного траншейного вскрытия более эффективно применение бестраншейных схем связи рабочих горизонтов с поверхностью.

2. Доказано, что для осуществления бестраншейного вскрытия на месторождениях природного камня наиболее предпочтительно использование грузоподъемных машин определенного типа, удовлетворяющих параметрам принятой системы разработки. Изучение технических характеристик грузоподъемных машин позволило подобрать типы машин, которые могут эффективно применяться в грузотранспортных связях рабочих горизонтов с поверхностью на месторождениях с определенными горно-геологическими и горнотехническими условиями и системой разработки на добыче блочного камня.

3. Доказано, что бестраншейное вскрытие месторождений природного камня в период геологоразведочных работ при строительстве опытных карьеров позволяет уменьшить объем горно-капитальных работ более чем в 4 раза, а срок строительства сократить в 3 раза.

4. Установлено, что при производственной мощности блочного карьера более 10 тыс. м³ в год и сроке эксплуатации месторождения более 10 лет при бестраншейном вскрытии объем капитальных затрат и энергоемкость значительно ниже, чем при традиционном траншейном вскрытии.

5. Исследование способов вскрытия, применяющихся на уральских месторождениях природного камня, и условий применения бестраншейных схем вскрытия месторождений природного камня показало, что существуют необходимость и реальные возможности перевода действующих предприятий по добыче природного камня - Сибирского, Исетского и Головыринского гранитных карьеров - на бестраншейную схему вскрытия.

6. Разработана математическая модель для экспресс-анализа экономической эффективности вскрытия и эксплуатации месторождения в зависимости от типа грузотранспортной связи рабочих горизонтов с поверхностью, срока службы и производственной мощности предприятия.

7. Установлено, что с переходом на высокоуступные схемы добычи природного камня, повышением концентрации горных работ в забоях целесообразно перейти на более эффективные бестраншейные схемы вскрытия месторождений с использованием для транспортных связей забоев с поверхностью специальных грузоподъемных машин.

8. Исследованиями доказано, что на месторождениях природного камня с компактным фронтом работ целесообразно применение стационарных грузоподъемных машин - деррик-кранов. Во всех остальных случаях необходимо принимать передвижные грузоподъемные машины - козловые, полукозловые, кабельные, мостовые и башенные краны.

9. Установлено, что при расчете устойчивости уступов и бортов карьера при бестраншейном вскрытии необходимо учитывать не только физико-механические характеристики горных пород, но и дополнительные нагрузками от подъемно-транспортных машин, обеспечивающих связи рабочих горизонтов с поверхностью.

10. Переход с траншейной на бестраншейную схему вскрытия возможен на любой стадии отработки карьера. Это убедительно доказано на реконструкции Южно-Файзуллинского месторождения родонита. Экономический эффект от перехода на бестраншейную схему вскрытия по Южно-Файзуллинскому месторождению родонита составляет 171,37 млн руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Статья, опубликованная в ведущем рецензируемом научном журнале, входящем в перечень ВАК:

Бычков Г.В., Кокунина Л.В., Кокунин Р.В., Сенин Л.Н. Сейсмобезопасность при независимом действии зарядов ВВ на месторождениях природного камня // Изв. вузов. Горный журнал. 2006. № 6. С. 50 - 54.

Статьи, опубликованные в научных сборниках, журналах и материалах конференций:

1. Бычков Г.В., Кокунина Л.В., Кокунин Р.В. Каменная палитра Среднего и Южного Урала // Состояние, проблемы и перспективы развития сырьевой базы и машиностроения для камнеобрабатывающей промышленности: Сб. научн. тр. 1 Междунар. научно-практической конф. в рамках выставки «Камень - 2004». Москва, 11-12 марта 2004 г. Global EXPO - УГГА. Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004. С. 13 -22.

2. Бычков Г.В., Кокунина Л.В., Кокунин Р.В. Перспективные технологические схемы добычи блочного камня средней прочности // Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр: Материалы Третьей Междунар. конференции. Москва - Бишкек, 13-18 сентября 2004 г. М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 2004. С. 79 - 83.

3. Бычков Г.В., Кокунин Р.В., Кокунина Л.В. Рациональные схемы связи забоев с поверхностью и оценка эффективности их при вскрытии месторождений природного камня // Камень вокруг нас. 2004. № 8. С. 18 - 21.

4. Бычков Г.В., Кокунин Р.В., Кокунина Л.В. Перспективы развития и освоения минерально-сырьевой базы облицовочных камней Республики Башкортостан и пути обеспечения потребностей республики природным облицовочным сырьем: НИР. Екатеринбург: УГГУ, 2004. 401 с.

5. Кокунин Р.В. Бестраншейные схемы вскрытия рабочих горизонтов на карьерах природного камня с применением башенных кранов // Добыча, обработка, применение природного камня: Сб. научн. тр. Магнитогорск: МагГТУ, 2005. С. 67 - 71.

6. Кокунин Р.В., Кокунина Л.В. Проходка опытных карьеров с применением козловых кранов при разведке месторождений природного камня // Камень вокруг нас. 2005. № 10. С. 14 - 16.

7. Кокунин Р.В., Рудов С.В. Вскрытие горизонтальных месторождений природного камня с применением козлового крана // Камень вокруг нас. 2005. № 10. С. 16 - 19.

8. Бычков Г. В., Шелест А.Т., Кокунин Р.В. Схемы вскрытия рабочих горизонтов и устойчивость бортов на карьерах природного камня // Известия Уральского государственного горного университета. Вып. 21. Серия: Горное дело: сб. научн. трудов. Екатеринбург: УГГУ, 2005. С. 80-87.

9. Кокунин Р.В. Особенности применения бестраншейного вскрытия месторождений природного камня // Добыча, обработка и применение природного камня: Сб. научн. тр. Магнитогорск: МагГТУ, 2006. С. 85 - 90.

10. Бычков Г.В., Кокунин Р.В. Новый системный подход к вскрытию месторождений природного камня // Камень вокруг нас. 2006. № 12.-С. 20-22.

11. Кокунин Р.В. Вскрытие месторождений природного камня с применением козловых кранов // Известия УГГУ. Специальный выпуск. Материалы Уральской горнопромышленной декады. г. Екатеринбург, 3-13 апреля 2006 г. / Уральский государственный горный университет. Екатеринбург: Издательство АМБ, 2006. С. 32-33.

Размещено на Allbest.ru